異構雙腿行走機器人開發(fā)與協調控制研究.pdf

1、隨著現代科技的發(fā)展，機器人技術已經廣泛應用于人類社會的各個生活領域。雙足機器人是步行方式中自動化程度最高、最為復雜的動態(tài)系統(tǒng)。在90年代，雙足機器人從一般性的擬人腿部行走上升到全方位的擬人，即仿人型機器人的研究。雙足機器人研究的一個初衷就是通過對人類自身行走機制的研究，開發(fā)出合理的假肢機構用來代償殘疾人殘缺的下肢假肢。目前，假肢已經從傳統(tǒng)的機械式假肢發(fā)展到基于微處理器控制的智能假肢階段。裝配智能下肢假肢的殘疾人能夠“活動自如”。

2、 在智能假肢的研發(fā)過程中，需要做大量的、多樣的、重復性好的殘疾人行走實驗，這對假肢性能的檢驗及改進設計尤為重要。然而由于殘疾人自身的物理缺陷，做此類實驗是非常困難的。目前的假肢實驗平臺能夠較好地研究其擺動相和支撐相性能，然而不能研究殘疾人穿戴智能假肢后的行走動態(tài)特性，包括行走的穩(wěn)定性，殘疾人與智能假肢的人機協調以及假肢對健康腿的步態(tài)跟隨等。 仿人機器人研究的目的就是最終實現全方位的擬人，而智能假肢的研究恰恰需要一種能夠高度擬人的

3、實驗平臺。在分析了雙足機器人、仿人機器人以及智能假肢研究現狀的基礎上，我們將雙足機器人的研究與智能假肢的研究結合起來，提出了異構雙腿行走機器人(Biped Robot with Heterogeneous Legs，BRHL)這一新型機器人模式。本文詳細闡述了其研究背景、研究意義、研究內容及關鍵技術。 在分析了智能假肢設計的仿生性要求的基礎上，本文給出了BRHL的總體設計方案，分別闡述了人工腿及仿生腿的詳細設計。針對4-bar膝

4、關節(jié)進行了機構參數優(yōu)化設計；詳細分析了BRHL的擬人特性。 基于拉格朗日第一類方程及分割建模的思想，分別建立了人工腿和仿生腿的運動學模型，以及針對支撐相和擺動相的動力學模型，并進行了仿真計算；在闡述了目前磁流變阻尼器建模方法的基礎上，提出了修正的Sigmoid建模方法；針對BRHL系統(tǒng)的高階代數一微分動力學方程正解問題，本文提出了帶誤差反饋的預估-校正數值積分算法并進行了相應的仿真計算。 通過對人類行走步態(tài)的描述及步行運

5、動的分析，總結了人類步行規(guī)律。介紹了雙足機器人以及仿人機器人常用的步態(tài)規(guī)劃方法；基于人類步行規(guī)律及步態(tài)跟隨優(yōu)化的思想，闡述了BRHL步態(tài)規(guī)劃方法：論述了步態(tài)數據庫的建立、步態(tài)感知及步態(tài)的在線調整；基于虛擬樣機對BRHL進行了步態(tài)仿真。討論了BRHL的主從式協調控制方法，建立了BRHL的分層遞階控制體系。針對磁流變阻尼器設計了其性能測試平臺，進行了相關實驗并對數據進行了處理。論述了虛擬樣機聯合仿真的概念和方法，基于一階P型開閉環(huán)迭代學習控